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Djaou, Cédric. Étude de l'injection et du transport de charges dans les couches minces diélectriques nanostructurées ou non : influence des interfaces

Djaou, Cédric (2021). Étude de l'injection et du transport de charges dans les couches minces diélectriques nanostructurées ou non : influence des interfaces.

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Résumé en francais

Les phénomènes d'injection et de rétention de charges dans les matériaux diélectriques ont un impact sur la fiabilité des systèmes électriques (câbles haute-tension), des composants microélectroniques (condensateurs, transistors) ou des microsystèmes (MEMS). En effet, l'accumulation de charges sous contrainte électrique conduit à des modifications de la distribution de champ électrique pouvant engendrer des défaillances. Par conséquent, la mesure de la densité de charge d'espace induite par la contrainte est cruciale pour comprendre les propriétés du matériau diélectrique. En ce qui concerne les couches minces diélectriques, les matériaux nanocomposites ou les interfaces métal/diélectrique, les méthodes classiques de mesure de charge d'espace ne peuvent pas être utilisées (résolution spatiale de l'ordre de plusieurs microns et donc supérieure à l'épaisseur des couches). Dans ce contexte, les méthodes dérivées de la microscopie à force atomique (AFM) apparaissent comme adaptées à l'étude des phénomènes se produisant à l'échelle nanométrique dans les couches minces diélectriques nanostructurées ou non. Pour ces travaux nous avons choisi d'utiliser la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) pour étudier la modification de potentiel de surface induite par les charges. Dans un premier temps nous avons étudié les phénomènes d'injection de charge dans des couches minces nanocomposites, consistant en un plan de nanoparticules d'argent enfouies à différentes profondeurs dans une matrice de SiO2. L'injection de charges est réalisée, en mode contact, grâce à la sonde AFM polarisée (entre -40V et +40V), et la mesure de potentiel de surface est réalisée par KPFM en modulation d'amplitude. Les résultats montrent qu'à température ambiante la présence de nanoparticules proches de la surface (i.e. 7nm) induit une augmentation de la quantité de charge injectée s'accompagnant d'un étalement latéral des charges plus important. De plus, la présence d'un plan de nanoparticules semble stabiliser les charges en limitant l'étalement latéral et le transport en volume au cours du temps. Concernant la couche de SiO2, la température n'a que peu d'influence ni sur l'injection de charge ni sur la dynamique de dissipation de charge. Concernant les couches nanocomposites l'augmentation de la température induit une augmentation de la vitesse de dissipation latérale et en volume des charges. La deuxième partie de notre étude porte sur les interfaces métal/SiNx. L'injection de charge est réalisée par polarisation des électrodes latérales et la modification du potentiel de surface induite est mesurée par KPFM en modulation de fréquence. La méthode de la dérivée seconde (ou SDM) est ensuite utilisée pour extraire le profil de charge d'espace du profil de potentiel mesuré. Concernant l'interface Al/SiNx nous avons observé une augmentation de la quantité de charge injectée avec l'augmentation du champ électrique appliqué et/ou avec la diminution de la distance inter-électrode. Concernant l'interface Au/SiNx le profil de potentiel obtenu est très large rendant l'exploitation des résultats délicate.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Villeneuve-Faure, Christina
Boudou, Laurent
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
Mots-clés libres :Couches minces diélectriques - Nanocomposites - Interfaces - Microscopie à force atomique
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :25 Jan 2022 09:04